MEMS熱風(fēng)速計(jì)控制電路溫漂特性的研究和風(fēng)向的測(cè)試.pdf

1、風(fēng)速計(jì)是日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必不可少的傳感器。傳統(tǒng)機(jī)械式風(fēng)速計(jì)有體積大、易磨損等缺陷，利用MEMS工藝實(shí)現(xiàn)的二維量熱式風(fēng)速計(jì)不僅克服了上述缺陷，而且基于CMOS-MEMS工藝的傳感器還能夠把相關(guān)的控制和信號(hào)處理電路集成在同一塊芯片上，最終實(shí)現(xiàn)智能化。 經(jīng)過(guò)對(duì)該課題幾年的研究，本實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成功地把自己設(shè)計(jì)的風(fēng)速計(jì)傳感器應(yīng)用到了手持式氣象參數(shù)測(cè)試儀上面。為了擴(kuò)大風(fēng)速計(jì)的應(yīng)用范圍、提高測(cè)試穩(wěn)定性和精確度，本實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的系統(tǒng)仍然有一些問(wèn)

2、題需要解決，如對(duì)風(fēng)速測(cè)量會(huì)有較大溫漂、風(fēng)向測(cè)試信號(hào)不穩(wěn)等缺陷。為解決好這些問(wèn)題，本文的主要工作是針對(duì)本實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的風(fēng)速計(jì)，設(shè)計(jì)和改進(jìn)恒溫差控制系統(tǒng)和風(fēng)向檢測(cè)方法，使其達(dá)到能夠在實(shí)際中應(yīng)用的目的。 量熱式風(fēng)速計(jì)的工作原理就是在一定的控制模式下把傳感器加熱(一般比環(huán)境溫度高10-20℃)，通過(guò)檢測(cè)氣流引起的傳感器表面溫度場(chǎng)分布或消耗功率來(lái)得到風(fēng)速風(fēng)向信息?？刂齐娐穼?duì)風(fēng)速計(jì)整個(gè)系統(tǒng)性能起著關(guān)鍵的作用，所以文章首先分析了控制電路的工作原

3、理。為了減小環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)的影響，本論文選擇了恒溫差控制模式。不過(guò)，盡管理論分析恒溫差控制系統(tǒng)沒(méi)有溫漂，但實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該控制模式下系統(tǒng)輸出仍隨環(huán)境溫度的變化而變化。文章分析了恒溫差模式在實(shí)際測(cè)風(fēng)速時(shí)產(chǎn)生溫漂的具體原因并給出了解決方案。經(jīng)過(guò)對(duì)溫度補(bǔ)償后測(cè)試發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速信號(hào)電壓隨溫度的變化從補(bǔ)償前的0.28V/10℃降低為-0.02V/10℃，輸出溫漂明顯降低，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。 硅是熱的良導(dǎo)體，從理論可知傳感器表面由于氣流引

4、起的溫差不會(huì)超過(guò)設(shè)定芯片和環(huán)境間溫差的1％，因此反映風(fēng)向的信號(hào)很難測(cè)量。為了得到穩(wěn)定的風(fēng)向信號(hào)，本文研究了風(fēng)向測(cè)試電路并分別對(duì)采用鉑電阻、PN結(jié)和熱堆的熱分布型傳感器進(jìn)行了測(cè)試和分析，這三種結(jié)構(gòu)都在360°對(duì)風(fēng)向敏感。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，基于玻璃襯底的鉑電阻結(jié)構(gòu)性能最好，檢測(cè)電路輸出峰峰值為720mV，風(fēng)向誤差小于8°，基本能夠滿足測(cè)量風(fēng)向的要求；硅襯底熱導(dǎo)率很大，所以基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的串聯(lián)PN結(jié)結(jié)構(gòu)靈敏度稍差，檢測(cè)電路輸出峰峰值為160mV